Boletim de aplicações
Sistemas de clarificação de caldo de fermentação para
a fabricação de alimentos e ingredientes alimentares
Visão geral
Os produtores de alimentos a granel e ingredientes
alimentares, como aminoácidos, ácidos orgânicos e vitaminas,
utilizam a fermentação como a base de sua produção. Os
processos modernos de biotecnologia utilizam culturas de
células microbianas purificadas e cuidadosamente
selecionadas para produzir uma variedade cada vez maior de
ingredientes e para aumentar a produtividade.
Durante a fermentação, os microrganismos se multiplicam
nos biorreatores industriais, utilizando uma fonte de
carboidrato para obter energia. O curso do crescimento
microbiano progride sob condições bem controladas de
aeração, taxa de agitação, temperatura, pH e outros
parâmetros. A fermentação pode durar de algumas horas até
vários dias. Os produtos metabólicos finais gerados pelos
microrganismos são a base de muitos ingredientes usados hoje.
Após a fermentação, seguem-se importantes etapas de
extração e purificação dos metabólitos de interesse da massa
celular. A primeira etapa é a clarificação do caldo primário
para remover células e outros sólidos suspensos na solução.
A clarificação do caldo primário pode ser feita por diversos
métodos, que variam da centrifugação à filtração. Os
fabricantes de ingredientes atuais estão buscando as soluções
de clarificação mais econômicas, que irão fornecer um
produto de alta qualidade, com o máximo rendimento e ao
mesmo tempo assegurando a segurança do processo e
minimizando os volumes de resíduos.
O desafio
Um grande produtor de aditivos e vitaminas para
ingredientes alimentares precisava de tecnologia para
fabricar diversos produtos em um sistema fechado. Devido
às condições do no mercado sempre em mutação, este
produtor desejava uma certa flexibilidade na operação do
sistema que se adequasse ao tipo de produto específico que
estava sendo fabricado.
O caldo de fermentação variava, em média, de 20 a 25% de
sólidos, uma carga relativamente alta. As características
variáveis do fluxo de alimentação e de volume de transferência
exigiam uma flexibilidade ainda maior do sistema.
Era necessária a máxima eficiência na separação dos
componentes desejados do caldo de fermentação para
obtenção constante de um produto de alta qualidade A
tecnologia de clarificação escolhida precisava atingir um
Fator de Concentração Volumétrica (FCV) muito alto para
maximizar o rendimento. O sistema escolhido precisava ser
automatizado, confiável, simples de operar e o mais robusto
possível para evitar falhas e quebras no processo.
A solução
A tecnologia de filtração tangencial com membranas
cerâmicas Membralox® da Pall foi escolhida para esta nova
e sofisticada unidade, por sua capacidade de oferecer de
forma confiável um filtrado da mais alta qualidade,
independentemente das características do caldo.
Diferentemente da centrifugação, onde o tamanho da célula,
a densidade e a viscosidade influenciam a eficiência da
separação, as membranas oferecem uma barreira física
absoluta que sempre resulta em uma separação otimizada
Além disso, a tecnologia cerâmica ofereceu uma solução
que opera sem a necessidade de armazenamento, manuseio
de auxiliares filtrantes e geração de resíduos típicos de
tecnologias de filtração por pré-capa. Uma vantagem
adicional desta solução é sua capacidade de utilização do
fluxo de concentrado, por exemplo, por meio da secagem
do mesmo para uso como ingrediente alimentar animal.
Os canais de grande diâmetro das membranas foram
selecionados para lidar com a alta alimentação de sólidos
suspensos. Isso resultou no maior VCF possível e em uma
concentração de retentado 45% maior. Para maximizar
ainda mais a recuperação, foi usada a diafiltração, que
resultou em um aumento no rendimento final de mais de 25%.
Um teste piloto inicial feito em um sistema de menor escala
determinou o tamanho do poro da membrana e os parâmetros
do processo para o dimensionamento. Durante esta primeira
fase, o pessoal do® Laboratório de Serviços Científicos (SLS)
da Pall trabalhou em colaboração com o cliente para otimizar
os parâmetros do processo e dar suporte técnico embasado.
Mesmo após o comissionamento do sistema, a unidade piloto
continuou a ser usada para testar novas cepas de bactérias e
novas técnicas de fermentação, o que permitiu o
desenvolvimento de novos produtos e a melhoria contínua.
Com base nos bons resultados obtidos com o sistema piloto,
a Pall ofereceu mais de 2.200 m² de área de membrana de
ultrafiltração em módulos com design HCB. O arranjo do
módulo HCB Membralox, com sua forma hexagonal, é capaz
de obter uma densidade de empacotamento extremamente
alta, acima de 285 m² / m³, o que reduz significativamente
os custos do sistema de filtração.
Três sistemas foram adquiridos em três fases distintas para
atende à crescente capacidade de produção desta planta.
Os sistemas foram projetados para oferecer o máximo em
flexibilidade, um alto rendimento e um controle de processo
simples. O processo se baseia em um conceito de batelada
com diafiltração a volume constante. Este conceito permite
um fluxo médio alto, pequena área de superfície de
membrana e diafiltração de alta eficiência. Os operadores
podem modificar os ajustes, como VCF, fluxo e índice de
diafiltração para acomodar as diferentes qualidades de
alimentação e taxas de transferência volumétrica. Loops
únicos também podem ser operados de forma independente
uns dos outros, no caso de falhas mecânicas, para que a
produção possa ainda ser mantida de forma limitada.
Os módulos de filtração cerâmica Membralox consistem de
membranas cerâmicas porosas, seladas em carcaças de aço
inoxidável com juntas poliméricas. As principais características
do produto incluem:
• Canais de alimentação com diâmetro de 3, 4 e 6 mm
estão disponíveis em diversas configurações de módulos
para lidar com uma ampla gama de fluxos de alimentação,
permitindo uma configuração ideal do sistema
• Canais de alimentação com diâmetro de 3, 4 e 6 mm
estão disponíveis em diversas configurações de módulos
para lidar com uma ampla gama de fluxos de alimentação,
permitindo uma configuração ideal do sistema
• Vários tamanhos de poros nas membranas para
microfiltração e ultrafiltração
Na filtração tangencial, o fluxo de alimentação se move
paralelamente à superfície de filtração da membrana e o
líquido purificado passa pela mesma. O fluxo paralelo da
alimentação, combinado à turbulência da camada limite
criada pela velocidade do fluxo tangencial, varre continuamente
as partículas, bem como outras substâncias que, de outra
forma, poderiam se fixar na superfície da membrana. Como
resultado, os sistemas de filtração tangencial quase sempre
mantêm taxas de permeado mais altas por mais tempo do que
os filtros tipo dead-end convencionais. A tecnologia de filtração
tangencial oferece a solução ideal para lidar com aplicações
com alta carga de sólidos.
Os benefícios
Este fabricante precisava de um sistema flexível e
econômico, capaz de atingir uma alta qualidade no
permeado e com operação de sistema simples.
O sistema Membralox oferecia o seguinte:
• Flexibilidade de processo devido à configuração em
batelada do sistema
• Alta taxa de recuperação do produto devido à alta
capacidade de manejo de sólidos e uso de diafiltração
• Custo reduzido e maior eficiência dos processos à vazante
devido à alta qualidade do filtrado, em comparação com
tecnologias de centrifugação e de pré-capa
• Redução na manutenção do processo e de resíduos
devido à ausência de auxíliares filtrantes.
• Vida útil extremamente longa devido à construção do
elemento cerâmico
• Menor exposição do operador e proteção máxima do
produto devido ao design totalmente fechado
• Simplicidade, confiabilidade e segurança no processo,
decorrente da automação do sistema
• Economia de espaço devido ao tamanho compacto do
sistema
Sobre a Pall Corporation
A Pall Corporation é a maior e mais diversificada empresa do
mundo de produtos para filtração, separação e purificação.
A Pall atende as indústrias de alimentos e bebidas com a
avançada tecnologia de filtração por membranas e sistemas
projetados para oferecerem confiabilidade e eficácia em
termos de custo. Fáceis de instalar e simples de usar, nossos
sistemas satisfazem a uma ampla gama de necessidades de
filtração. Nossa abordagem Total Fluid Managementsm
oferece aos clientes soluções para atender as necessidades
de todo o processo, englobando produtos de filtração,
serviços, sistemas e treinamento.
Pall Alimentos e Bebidas
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descritos, as informações e os procedimentos estão sujeitos a alterações sem aviso
prévio. Consulte um representante da Pall ou visite o nosso site www.pall.com, para
saber se essas informações ainda são válidas.
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e Membralox são marcas comerciais da Pall Corporation.
Total Fluid Management e Filtration. Separation. Solution.SM são marcas de serviços da Pall Corporation.
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Impresso no Reino Unido.
Junho 2009